Чернобыль. Двадцать пять лет назад. Исследования и эксперименты в зоне четвёртого блока ЧАЭС
Борис Богданов, участник ликвидации последствий катастрофы на ЧАЭС.
Причиной катастрофы считают мгновенный «разгон» реактора — ударное возрастание его мощности, приведшее к взрывному росту температуры до 2000 градусов. Вода, омывающая активную зону реактора, испарилась за доли секунды — произошёл тепловой взрыв. В атмосферу было выброшено до 1020 беккерелей радиоактивности (1 Бк, единица радиоактивности СИ, равен 1 распаду делящегося изотопа в секунду). Эта величина эквивалентна заражению от 75—100 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.
Попытки руководства страны замалчивать не только последствия катастрофы, но и сам факт происшедшего провалились. Повышенный радиационный фон зарегистрировали и наземные станции за рубежом, и аппаратура спутников. Мир узнал и о катастрофе, и о тех, кто ценой жизни и здоровья предотвратил распространение ядерной заразы и «погасил» реактор.
Помимо героев-ликвидаторов в зоне заражения работали десятки людей, которые следили за радиационной обстановкой. Многие физические задачи обнаружения областей повышенной радиоактивности, измерения радиационного фона, дезактивации техники и оборудования специалистам пришлось решать впервые. А между тем об их работе, напряжённой и опасной, до сих пор мало кто знает. Статей о них не писали и фильмов не снимали. Одним из участников работ по радиационному контролю был подполковник (ныне — полковник в отставке) Борис Вадимович Богданов. Он провёл в зоне заражения почти пять месяцев — с мая по сентябрь 1986 года. Публикуем рассказ непосредственного участника практически без изменений как исторический документ тех трагических событий четвертьвековой давности.
О чернобыльской катастрофе за истекшие двадцать пять лет писали немало, но ещё ни разу не сообщали об исследованиях и экспериментах, проведённых в зоне четвёртого блока ЧАЭС по электрогидроимпульсной дезактивации заражённой техники, радио- и радиолокационным наблюдениям за зоной аварии.
Сразу после катастрофы, в мае 1986 года, решением ЦК КПСС и СМ СССР был создан научный центр Министерства обороны (в/ч 19772) на базе штабов ГО СССР, РСФСР, Москвы, ряда главных управлений МО и НИИ ГО для решения научно-практических задач по ликвидации последствий чернобыльской катастрофы. Размещался научный центр МО в г. Овруче (УССР). Командиром в/ч 19772 был назначен генерал-лейтенант А. К. Фёдоров, начальником штаба — генерал-майор Б. П. Дутов (потом его сменил генерал-майор Н. Д. Тараканов), заместителем командира по науке — полковник Р. Ф. Разуванов, начальником политического отдела — полковник Г. П. Чекулаев.
В то время я находился на должности начальника отдела по повышению устойчивости функционирования народного хозяйства Москвы Штаба гражданской обороны Москвы. Кроме решения задач по повышению устойчивости, на меня, как специалиста по ядерным установкам, возложили обязанности куратора ядерных реакторов столицы. Поэтому не стало большой неожиданностью, что, когда произошла эта катастрофа, приказом НГО СССР (начальника гражданской обороны. — Прим. ред.) от 11 мая 1986 года меня назначили на должность старшего офицера оперативного отдела в/ч 19772, который состоял из офицеров различных штабов и Главных управлений.
Кроме выполнения заданий, связанных со штабной работой, на меня возложили обязанности планирования и использования приданных авиационных частей и ведения воздушной разведки в особой зоне и зонах 3, 2 и 1 (по убыванию уровня радиации). Авиацию применяли для переброски военнослужащих и грузов, ведения воздушной разведки в заражённых зонах четвёртого блока и на территориях бывшего СССР (Украина, Белоруссия и Россия).
Дезактивация нестандартными способами
В процессе ликвидации катастрофы выявилась одна неприятность. Техника, поработавшая в «грязных» зонах, не поддавалась дезактивации классическими методами (удалением пыли и обмывкой) и продолжала «фонить». Её приходилось оставлять в специальных местах сбора. Сотни автомобилей, автобусов, тракторов, дорожно-транспортной, грузоподъёмной и другой техники, исправной и практически новой, скопилось в районах населённых пунктов Копачи и Лелев. Правительственная комиссия поставила задачу: найти способы и методы дезактивации, которые позволили бы очистить заражённую технику, снизить радиоактивное излучение до уровня, позволяющего работать людям без вреда здоровью.
В июне я предложил три нестандартных способа повышения эффективности дезактивации заражённой техники.
Во-первых, использовать электрогидроимпульсное воздействие (эффект Юткина) малой мощности. Суть эффекта состоит в следующем. Высоковольтный разряд между электродами, опущенными в воду, порождает в ней короткий мощный импульс давления. Его величина зависит от поданного напряжения.
Во-вторых, применить электроакустическую установку малой мощности в камере с повышенным давлением.
И, в-третьих, проводить дезактивацию с помощью пульсирующего электрического поля в вакуумной камере с напряжением между электродами 500—10 000 В.
Мне поручили подготовить и провести эксперимент по дезактивации с помощью эффекта Юткина. Связавшись по телефону с экспериментальной лабораторией Агропрома (Ленинград), где проводили работы по изучению этого эффекта, я получил необходимые рекомендации для проведения расчётов по строительству и сборке установки и по спецификации необходимой аппаратуры и оборудования. Нужную аппаратуру и оборудование удалось разыскать в Киеве и на брошенных заводах Припяти и Чернобыля.
К середине июля установку собрали и провели на ней испытания по дезактивации заражённой техники различных типов. Установка генерировала электрические импульсы напряжением 10 кВ с частотой повторения от 10 до 1000 кГц. Испытания показали хорошие результаты, наиболее эффективным оказалось сочетание классических методов с эффектом Юткина. Недостаток этой установки состоял в том, что при дезактивации техники на повышенных мощностях разрушались слабые или изношенные её детали. Акты проведения экспериментальных работ по электрогидроимпульсной дезактивации заражённой техники от 18 июля 1986 года были направлены в два адреса: в оперативную группу (ОГ) МО СССР (в/ч 06407) и научный центр МО СССР (в/ч 19772). Задание выполнили; на основе проведённых экспериментов составили и подали заявку на изобретение как способ электрогидроимпульсной дезактивации заражённой техники.
О дальнейшей судьбе этой установки не знаю, так как командование в/ч 06407 меня направило на выполнение другого задания.
Радио- и радиолокационные наблюдения за зоной ЧЕТВЁРТОГО блока ЧАЭС
Было замечено, что, через некоторое время после проведения в населённых пунктах дезактивационных работ, в посёлках и сёлах, расположенных рядом, повышался уровень радиации в десятки, а порой и в сотни раз. Предположили, что реактор четвёртого блока заглушён не до конца, он время от времени «пыхтит», то есть производит газоаэрозольные выбросы. Но всё это нужно было документально доказать, обнаружить и зарегистрировать выбросы, измерить их суммарную дозу радиации. Для решения этих задач вышло постановление Правительственной комиссии от 10 июля 1986 года и принята программа «Исследования газоаэрозольных выбросов из зоны четвёртого блока ЧАЭС».
Сделав необходимые расчёты, в середине июля я предложил командованию организовать и провести радио- и радиолокационные наблюдения как наиболее перспективные методы обнаружения и регистрации газоаэрозольных выбросов. Тринадцатого августа начальник штаба ОГ МО СССР утвердил план проведения эксперимента по радио- и радиолокационному наблюдению за зоной четвёртого блока.
Для проведения исследований были задействованы радиостанция Р-140, два вертолёта Ми-8 с приёмниками р-326 и измерительной аппаратурой, две радиолокационные станции ПРВ-16 (высотомер), радиолокационная станция (PЛC) CHAP-10 и ионосферная станция вертикального зондирования АИС.
Радиолокационные посты развернули в районах населённых пунктов Лелев (высотомер в 14 км от ЧАЭС), Сукачи (высотомер в 48 км от ЧАЭС), Копачи (СНАР-10 в 6 км от ЧАЭС), радиопост — в районе населённого пункта Пирки (в 20 км от ЧАЭС), пост ионосферной станции для горизонтального зондирования — в районе населённого пункта Терехово (в 16 км от ЧАЭС). Организационными участниками эксперимента были в/ч 06407, в/ч 19772 и КВИРТУ.
Для устранения влияния местных предметов на работу РЛС и для более качественного наблюдения за четвёртым блоком её перемещали на различные расстояния и высоты. Наиболее эффективной точкой оказалась высота 151,2 в районе населённого пункта Сукачи (координаты: 5652, 5702) на расстоянии 52 км от ЧАЭС. Станция CHAP-10 вела наблюдение на удалении от 1,5 до 10 км от четвёртого блока.
В процессе радиолокационного зондирования наблюдалось регулярное отражение радиоволн от области повышенной ионизации (ОПИ), или столба ионизованного воздуха, который образуется в результате постоянного действия гамма-фона (рис. 1 и 2). В ясную погоду высота этого столба менялась в течение суток от 1 до 2 км, а в облачную и во время дождя — от 3 до 5 км.
В процессе наблюдения были обнаружены и документально зарегистрированы неоднократные газоаэрозольные выбросы из зоны аварийного блока. Так, 14 августа с 17 ч 02 мин до 17 ч 45 мин наблюдалось аномальное явление (рис. 3, с. 19). Вначале из зоны регулярного отражения над исследуемым объектом вылетело облако диаметром 150—200 м, которое медленно поднималось. Интенсивность его свечения падала, и через 43 минуты с момента выброса оно исчезло. При анализе явления было установлено, что в это время в корпусе, прилегающем к развалу реактора, производились взрывные работы.
Через пять дней в пункте наблюдения Сукачи (в 52 км от ЧАЭС, высота 151,2) с 13 ч 36 мин до 14 ч 39 мин наблюдались выбросы, зафиксированные на РЛС ПРВ-16 и CHAP-10 (рис. 4, с. 19). Аномалии выглядели несколько иначе, чем на рис. 3: они имели вид рваных облаков, распространявшихся по ветру. Облако сперва приняло форму овала, затем серебристого пульсирующего шара и вновь овала. Протяжённость облака по ветру составляла от 10 до 15 км, в поперечнике 600—800 м, высота варьировалась от 500 м до 2 км. На станции CHAP-10 (6 км от ЧАЭС) выброс наблюдался с 13 ч 22 мин до 14 ч 21 мин (рис. 5, ), в виде облака, напоминающего тарелку, на высоте 150 м. Уровень его радиации составил порядка 200—230 Р (рентген). В район выброса по траектории движения облака вылетел вертолёт с приборами радиационной разведки, которые зафиксировали повышение уровня радиации по следу движения облака от 15 до 30 Р. В центр облака вертолёт не залетал. 20 августа (Сукачи) в 11 ч 50 мин, затем 22-го в 16 ч 45 мин и 24-го (Лелев) в 20 ч 52 мин также были зарегистрированы выбросы. Их эволюция происходила подобно случаю, представленному на рис. 4, но интенсивность и масштабы были меньше.
Каждый выброс документально фиксировали, а след движения облака наносили на карту. В дальнейшем данные наземной разведки подтверждали повышение уровня радиации на местности по следу движения облака.
Так, уровень радиации по следу облака (отводной канал, южная сторона здания ЧАЭС и далее на северо-восток) на почве повысился с 10 мР с 04 ч 19 августа до 0,8 Р в 04 ч 20-го, а затем до 16 Р в 15 ч. Работы на ЧАЭС, связанные с косвенным пылеобразованием, кроме первого случая (рис. 3), не производились.
Каждый факт газоаэрозольного выброса документально регистрировали (дата, время, мощность, направление движения с нанесением следа движения облака на карту) и составляли акт. Информацию о выбросе немедленно сообщали оперативным группам МО СССР, которые в свою очередь докладывали о нём Правительственной комиссии.
Радиопросвет
Пост радиопросвета развернули в районе наблюдательного пункта Пирки в 20 км от ЧАЭС в составе радиостанции P-140, работающей в режиме непрерывного излучения на частотах 1126 и 10 512 кГц и двух вертолётов Ми-8, оборудованных приёмной и измерительной аппаратурой. Результаты эксперимента представлены на рис. 6 и 7 внизу.
Там впервые обнаружили явление экранизации радиоволн областью повышенной ионизации, создаваемой четвёртым блоком в створе с радиостанцией. Зафиксировали затухание сигнала частотой 1126 кГц на 9,5 дб и 10 512 кГц на 4,5 дб, то есть образование «радиодыры». Это явление объяснимо с точки зрения теории распространения радиоволн в ионизированном газе, потому что коэффициент преломления радиоволн нижних частот выше, чем верхних.
Явление отражения радиосигнала от области повышенной ионизации обнаружили на частоте 1 126 кГц и измерили путём определения максимальных и минимальных значений напряжённости электрического поля, то есть построили интерференционную картину на удалении 1 км и высоте 200 м со стороны направления распространения радиоволн (рис. 6, с. 20).
Поверхностное зондирование с помощью ионосферной станции
Очень интересные данные получили в эксперименте с использованием ионосферной станции типа АИС в коротковолновом диапазоне радиочастот. Пост ионосферной станции горизонтального зондирования развернули в районе населённого пункта Терехов, в 16 км от ЧАЭС. Антенна АИС была направлена так, что радиоволны распространялись вдоль поверхности земли, производя горизонтальное зондирование четвёртого блока. В диапазоне радиочастот от 1500 до 20 000 кГц на экране станции чётко высвечивались участки местности с повышенным уровнем радиации. Проведя калибровку станции путём отражения сигнала от областей с точно известными уровнями радиации и меняя частоты и мощность излучения, дистанционно определили зоны повышенной радиации в окружности радиусом около 400 км (дальность ограничивалась мощностью станции при поверхностном распространении радиоволн), которые совпали с данными наземной разведки.
На основе проведённых исследований по радио- и радиолокационному наблюдению за зоной четвёртого блока были составлены и поданы три заявки на изобретения.
Дезактивация заражённой техники путём применения электрогидроимпульсной установки показала высокую производительность и надёжность.
Методы радио- и радиолокационного зондирования и наблюдения с помощью ионосферной станции оказались недорогим и эффективным способом обнаружения и измерения параметров газоаэрозольных выбросов. Их можно использовать для ведения постоянного автоматического слежения за работой атомных электростанций. В случае аварии или террористического акта они позволяют установить факт аварии, её время, координаты, параметры выбросов, уровень радиации и направление распространения газоаэрозольных выбросов.
Несмотря на очевидную эффективность проводимых работ, внезапно без объяснения причин 25 августа мне дали команду их прекратить, свернуть все пункты наблюдения и убыть в научный центр (г. Овруч).
***
Немного теории
Непосредственное измерение уровня излучения из областей газовых и аэрозольных выбросов — дело не только опасное, но и весьма сложное. Поэтому контроль за радиационной обстановкой в районе четвёртого блока ЧАЭС решили проводить дистанционно, методами радио- и радиолокационного зондирования.
Радиоволны способны отражаться от объектов, имеющих диэлектрическую проницаемость εи (коэффициент преломления n) и электрическую проводимость σи, которые отличаются от этих параметров окружающей среды — чистого воздуха. Это позволяет судить о наличии в поле «зрения» наблюдателя объекта — радиоактивного облака.
Радиоволны в воздухе распространяются с постоянной скоростью. Обнаружив объект наблюдения, можно легко измерить расстояние до него, разделив пополам время пробега радиоимпульса до объекта и обратно. Для этой цели существует радиолокатор. Он излучает очень узкий пучок радиоволн, поэтому, измерив угловые координаты объекта, несложно рассчитать его высоту и положение на местности.
Радиоволна, отражаясь от движущегося предмета, меняет свою частоту за счёт эффекта Доплера. Это позволяет измерить скорость движения облака и выделить его на фоне неподвижных предметов, дающих отражения-помехи.
Методы радио- и радиолокационного зондирования характеризуют дальность действия, рабочий диапазон частот, импульсную и среднюю мощности передатчика, чувствительность приёмника, частоту или период повторения импульсов, их форму и длительность, разрешающую способность по дальности и угловым координатам, помехозащищённость, быстродействие и надёжность.
Для объяснения физики явлений при радио- и радиолокационном зондировании остановимся на способности радиоволн отражаться от объектов и на основной характеристике радиолокации — дальности действия станции.
Области повышенной ионизации — это столбы ионизированного воздуха, а газоаэрозольные выбросы из четвёртого блока АЭС представляют собой его смесь с радиоактивной пылью. Сама радиоактивная пыль постоянно излучает альфа- и бета-частицы (соответственно ядра гелия 42He и электроны высокой энергии) и гамма-лучи, создавая вокруг себя ионизованный газ. Эта пыль заряжена электрически и в зависимости от величины заряда принимает различные значения диаэлектрической проницаемости εп и электрической проводимости σп. Таким образом, газоаэрозольные образования можно считать ионизованным газом, облако которого имеет эквивалентную отражающую поверхность радиоволны Sэ с параметрами εг, σг.
Области ионизованного газа и газоаэрозольные образования — особое и распространённое состояние вещества — плазма. Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или значительная их часть) потеряли по одному или несколько электронов и превратились в положительные ионы. В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов или молекул, взаимодействующих с помощью электростатических кулоновских сил, и принимает различные значения диэлектрической проницаемости εи и электрической проводимости σи (индекс указывает, что параметр относится к ионизованной среде). Их величина зависит от количества свободных электронов (N), то есть от уровня радиации, состояния атмосферы (температуры, влажности, высоты и др.).
Ионизованный газ (плазма) обладает свойствами полупроводящей среды с параметрами εи и σи:
εи = εо – N • e2 / me (ω2 + ν2), Ф/м и
σи = N • e2_ • ν / me (ω2 + ν2), См/м,
где N — количество свободных электронов ионизованного газа; е — заряд электрона; me — масса электрона; ω — круговая частота радиоволны; ν — число столкновений электрона с нейтральными молекулами за 1 с (в направлении распространения линейно поляризованной радиоволны).
Ионизованный газ имеет собственную плазменную частоту:
ωо = (N • e2 / εо me )1/2 , 1/с или
fо = (N • e2 / εо me )1/2 / 2π, Гц.
Радиоволны с частотами, меньшими плазменной частоты fо, не проникают в область ионизованного газа и полностью отражаются от его поверхности.
При частоте радиоволн f = fо происходит их резонансное поглощение.
Радиоволны с частотами, большими плазменной, проходят сквозь ионизованный газ, преломляясь под различными углами и с разными коэффициентами затухания.
Если отсутствуют столкновения (ν = 0), электрическая проводимость σи обращается в ноль, ионизованный газ ведёт себя как идеальный диэлектрик.
Если нет источника ионизации (N = 0), плазма не образуется, радиоволны свободно проходят сквозь нейтральный газ.
Дальность действия — одна из важнейшей характеристик устройств радио- и радиолокации, которая определяется основным уравнением радиолокации:
Dмакс = (Рпер G2ант Sэ λ2 / 64 π3 Рпр.мин )1/4 м,
где Рпер — мощность передатчика; Gант — коэффициент усиления антенны; Sэ — эквивалентная отражающая поверхность ионизованного газа; Рпр.мин — пороговая чувствительность приёмника; λ — длина радиоволны.
Таким образом, можно считать, что все параметры устройств постоянны. Исключения — параметр Sэ, который меняется в зависимости от уровня радиации, состояния атмосферы (температуры, влажности, высоты и др.), и величина λ, задаваемая оператором в процессе измерений.
На основе кратких теоретических обоснований, сделанных выше, можно приступить к анализу физических процессов, представленных на рис. 1—7.
На рис. 1 и 2 показаны столбы ионизированного воздуха, или области повышенной ионизации (ОПИ), от четвёртого блока АЭС с эквивалентными отражающими поверхностями Sэ. Условия отражения радиоволн от них зависят от диэлектрической проницаемости εи (коэффициента преломления n), электрической проводимости σи ОПИ и от частоты f зондирования РЛС. В данном случае f = 6500 мГц или λ = 4,615 см. В этом диапазоне частот большую роль как отражающий фактор играет электрическая проводимость ОПИ.
При изменении метеоусловий, в данном случае с образованием облачности и увеличением влажности, повышается плотность воздуха, что приводит к росту количества столкновений электронов с нейтральными молекулами ν и увеличению количества свободных электронов ионизованного газа N, а это в свою очередь увеличивает εи и σи. Сравнивая рис. 1 и 2, можно увидеть, что область повышенной ионизации (рис. 2) при облачности и повышенной влажности почти в три раза выше, чем в ясную погоду.
На рис. 3 представлена зарисовка газоаэрозольного выброса, снятая с экрана радиолокационной станции во время проведения взрывных работ, которые проходили рядом с четвёртым блоком. Облако радиоактивной пыли с матовым оттенком, как уже говорилось выше, создаёт вокруг себя ионизованный газ. Сама заряженная пыль имеет эквивалентную отражательную поверхность Sэ с параметрами диэлектрической проницаемости εп (коэффициентом преломления n) и электрической проводимости σп, от которой отражаются электромагнитные волны.
На рис. 4 и 5 представлена зарисовка одного и того же газоаэрозольного выброса из зоны четвёртого блока, который был зарегистрирован двумя различными типами РЛС в разных пунктах наблюдения. Причины образования газоаэрозольных выбросов описаны выше. Сама физика регистрации газоаэрозольного выброса аналогична физике, описанной для рис. 3.
На рис. 6 и 7 приведены схема проведения радиопросвета области повышенной ионизации на различных радиочастотах и данные измерений затухания электромагнитного поля на участке: радиостанция, четвёртый блок, измерительные приборы; отражения электромагнитного поля на участке: радиостанция, измерительные приборы, четвёртый блок и обнаружение явления интерференции радиоволн — наложения прямой и отражённой электромагнитных волн от области повышенной ионизации.
Использованные в статье рисунки сделаны автором в 1986 году во время ликвидации аварии на ЧАЭС.
***
Вспоминая друзей
Теперь, по прошествии двадцати пяти лет со дня чернобыльской катастрофы, я с большой теплотой вспоминаю своих товарищей по отделу и нашу совместную напряжённую, опасную, но необходимую работу по ликвидации её последствий — Н. Д. Тараканова, А. Н. Дьяченко, А. И. Федяева, Н. П. Бакуна, Н. А. Гелевера, В. В.Десятского, А. А. Ирклиенко, В. И. Кондратьева и многих других.
С уважением и благодарностью вспоминаю авиаторов экипажей, с которыми много раз днём и ночью, в любую погоду приходилось вылетать для выполнения заданий: Ан-12, борт № 20, командир Е. А. Полев; Ан-12, борт № 21, командир А. В. Литвинов; Ан-24 радиоразведки (р. р.), борт № 03, командир Л. А. Голомовзин; Ан-24 р. р., борт № 15, командир А. Б. Яговнин; Ми-8, борт № 05, командир М. И. Хлынов; Ми-8, борт № 05, командир В. Г. Духовников; Ми-8, борт № 24, командир В. М. Новиков; Ми-8, борт № 54, командир А. В. Малашин; Ми-24 р. р., борт № 15, командир П. А. Мишутченко; Ми-24 р. р., борт № 60, командир эскадрильи П. М. Гущин, командир А. И. Матюхин. За всё время совместной работы не было ни одного случая отказа техники или предпосылок к лётным происшествиям. Спасибо вам, друзья.
Читайте в любое время
